王燦，黃銘 （合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

我國(guó)地表水資源豐富，天然河流眾多，近幾十年來隨著南水北調(diào)工程、膠東引黃調(diào)水工程、引江濟(jì)淮工程等調(diào)水工程的大批興建，形成了人工河道與天然河道錯(cuò)綜復(fù)雜的局面，邊坡問題成為學(xué)者們關(guān)注的重要問題。21世紀(jì)隨著生態(tài)水利的全面提出與發(fā)展，生態(tài)護(hù)坡技術(shù)已經(jīng)成為水利與生態(tài)環(huán)境相結(jié)合的重要技術(shù)領(lǐng)域。

生態(tài)護(hù)坡技術(shù)不斷革新與發(fā)展，近年來，新型柔性三維生態(tài)保護(hù)毯在河道邊坡防護(hù)工程中得到了廣泛關(guān)注，研究其抗沖刷性能具有重要工程意義。現(xiàn)用于模擬平原河道的試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置大多為明渠均勻流緩坡水槽，其流速一般較低，不易滿足高流速試驗(yàn)要求。為此，本文設(shè)計(jì)了一套復(fù)合水槽沖刷試驗(yàn)裝置，既能實(shí)現(xiàn)較大流速條件下的水流沖刷，又能模擬河道明渠水流，使試驗(yàn)結(jié)果更加全面。通過對(duì)三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡的抗沖刷性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)合理論公式推導(dǎo)，分析不同水流條件下植被區(qū)床面切應(yīng)力的變化趨勢(shì)以及在護(hù)坡抗沖刷性能方面的作用。

1 三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置整體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，整個(gè)裝置形成一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，上游水頭高度由高位水箱內(nèi)水位控制，當(dāng)水泵提供水量大于沖刷試驗(yàn)所需水量時(shí)，超出部分水通過回流管道返回地下水庫(kù)，使水箱高度穩(wěn)定在某一恒定值。高位水箱后通過管道連接沖刷試驗(yàn)水槽，沖刷試驗(yàn)水槽采用有機(jī)玻璃加工制作，可以清楚地觀察到裝置內(nèi)試樣的變化，管道與沖刷試驗(yàn)水槽的連接處布設(shè)圓管變方管的異形管道，以便銜接。整個(gè)試驗(yàn)過程中水流通過循環(huán)槽道重新流入地下水庫(kù)，保證水流循環(huán)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)布置示意圖

沖刷試驗(yàn)水槽流量控制采用閥門調(diào)節(jié)的方式，后接電磁流量計(jì)，以確定不同時(shí)刻、不同閥門開度下流經(jīng)整個(gè)試驗(yàn)裝置的斷面流量，有機(jī)玻璃矩形水槽上方安裝測(cè)壓裝置。沖刷試驗(yàn)水槽實(shí)體模型圖如圖2所示。

圖2 沖刷試驗(yàn)水槽

本研究所設(shè)計(jì)的復(fù)合水槽沖刷試驗(yàn)裝置具有有壓與無壓相結(jié)合的特點(diǎn)，水槽中部設(shè)置有機(jī)玻璃隔板，當(dāng)安裝隔板時(shí)，水流從水槽下半部分經(jīng)過，整個(gè)試驗(yàn)段保持有壓狀態(tài)；當(dāng)拆卸隔板時(shí)，試驗(yàn)水槽呈類似明渠型式，試驗(yàn)段為無壓狀態(tài)。

1.2 三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡前期準(zhǔn)備

三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡植被選用狗牙根、高羊茅混播，由于狗牙根是一種生長(zhǎng)迅速，掠奪性和侵略性都極強(qiáng)的草本植物，所以混播中用量一定要做到嚴(yán)格控制，結(jié)合工程實(shí)際，試驗(yàn)研究中采用狗牙根和高羊茅的混播比例為1：3，種植密度為20～25g/m。將草種放入特制的植被槽中進(jìn)行種植，按照平整坡面→鋪設(shè)柔性三維生態(tài)保護(hù)毯→播撒草種→覆土這一操作流程，種植完成后注意澆水和前期養(yǎng)護(hù)。待植被生長(zhǎng)1.5個(gè)月后，根系平均長(zhǎng)度約8cm，能夠與柔性三維生態(tài)保護(hù)毯緊密地纏繞在一起，滿足試驗(yàn)要求，將混播植被進(jìn)行修剪處理，平均高度約10cm，即可開展試驗(yàn)。試驗(yàn)中選用的柔性三維生態(tài)保護(hù)毯主要材質(zhì)為聚酰胺，厚度為17mm，單位克重約400g/m。

2 沖坑深度分析

本研究所設(shè)計(jì)的沖刷試驗(yàn)裝置采用有壓與無壓復(fù)合型式，因有壓型式拆裝復(fù)雜，沖坑深度測(cè)量不便，而在試驗(yàn)裝置無壓狀態(tài)下可便捷實(shí)現(xiàn)沖坑情況的連續(xù)測(cè)量。在0.5m/s和1m/s兩個(gè)流速條件下，以無壓狀態(tài)進(jìn)行三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡沖刷試驗(yàn)測(cè)量沖坑深度，分析沖坑深度與沖刷歷時(shí)之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 沖坑深度-沖刷歷時(shí)曲線

沖坑深度數(shù)據(jù)采用多點(diǎn)測(cè)量求平均值的方式確定，根據(jù)圖3曲線，沖坑深度的數(shù)值隨沖刷歷時(shí)的增加不斷增大，且增長(zhǎng)速率逐漸變慢。分析主要原因：①接近三維生態(tài)保護(hù)毯網(wǎng)墊的位置，土體較為集中，植被根系以及保護(hù)毯上層網(wǎng)包對(duì)土體的保護(hù)作用更加明顯，使其抗沖刷性能得到提升；②由于土體的自然沉降以及固結(jié)作用，深度越深的土體緊實(shí)度越高，抵抗水流沖刷的能力也就越強(qiáng)。

3 植被區(qū)床面切應(yīng)力分析

3.1 理論公式推導(dǎo)

在采用生態(tài)護(hù)坡的河道中，護(hù)坡的抗沖刷性能主要體現(xiàn)在處于淹沒狀態(tài)的植物莖葉以及床面基土對(duì)水流的阻力作用。根據(jù)牛頓第三定律，生態(tài)護(hù)坡對(duì)水流的阻力等于水流對(duì)生態(tài)護(hù)坡植被床面的切應(yīng)力，無論在試驗(yàn)水槽以及實(shí)際河道中，對(duì)于坡面條件、植被條件相同的護(hù)坡，水力條件一定時(shí)，產(chǎn)生的床面切應(yīng)力也是相同的。圖4為本研究所設(shè)計(jì)的沖刷試驗(yàn)裝置壓差測(cè)量示意圖，根據(jù)植被區(qū)前后壓差數(shù)值，對(duì)有壓狀態(tài)下植被區(qū)床面切應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

圖4 壓差測(cè)量示意圖

當(dāng)試驗(yàn)裝置處于有壓封閉狀態(tài)時(shí)，有機(jī)玻璃水槽斷面形狀和尺寸沿程不變，水槽中水流可近似看作均勻流，對(duì)于均勻流，壁面平均切應(yīng)力的計(jì)算公式為：

式中：ρ為水流密度，取1.0×10kg/m；g為重力加速度，取9.8m/s；R為水力半徑；J為水力坡度；L為試驗(yàn)段長(zhǎng)度；Δh為試驗(yàn)段水頭損失。

首先進(jìn)行無植被槽的光滑有機(jī)玻璃壁面切應(yīng)力計(jì)算，試樣箱位置放置同樣材質(zhì)有機(jī)玻璃板，在某一穩(wěn)定的流速下，用壓差計(jì)測(cè)出1、4斷面之間的水頭差（1，2，3，4為順?biāo)鞣较?個(gè)斷面，具體位置如圖6所示），則根據(jù)式（1）可求得1、4斷面之間壁面平均切應(yīng)力τ為：

在試樣箱中放入植被槽進(jìn)行三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡沖刷試驗(yàn)，待水流穩(wěn)定后保持流速與光滑有機(jī)玻璃壁面試驗(yàn)相同，則1、4斷面的平均切應(yīng)力 τ亦可根據(jù)壓差表測(cè)量數(shù)據(jù)由式（1）求得：

試驗(yàn)各流速下切應(yīng)力數(shù)值

計(jì)算植被槽床面切應(yīng)力時(shí)，須扣除有機(jī)玻璃水槽壁面的影響，故植被區(qū)床面切應(yīng)力可以表示為：

式中：B、H分別為有機(jī)玻璃水槽處于有壓狀態(tài)時(shí)內(nèi)徑的寬度和高度；l、l、l、l分別為圖6所示斷面之間的距離。

根據(jù)達(dá)西-魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式：

式中：h為沿程水頭損失；λ為沿程水頭損失系數(shù)；v為斷面平均流度。

結(jié)合式（1），可得到植被區(qū)床面切應(yīng)力與斷面平均流速之間應(yīng)具有如下關(guān)系：

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)監(jiān)測(cè)得到的壓差數(shù)據(jù)采用式（2）、式（3）和式（4）進(jìn)行處理計(jì)算，得到有壓狀態(tài)各流速下植被區(qū)床面切應(yīng)力具體數(shù)值，如下表所示，并繪制植被區(qū)床面切應(yīng)力與水流流速關(guān)系曲線。

圖5 床面切應(yīng)力-流速曲線

水流對(duì)三維生態(tài)保護(hù)毯植被護(hù)坡表面的切應(yīng)力等于保護(hù)毯護(hù)坡對(duì)水流的阻力，是三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡抗沖刷性能的直觀體現(xiàn)。根據(jù)圖5曲線可以看出，在本試驗(yàn)的流速條件下，植被區(qū)床面切應(yīng)力隨流速的增大而增大，且與流速之間存在非線性關(guān)系，與理論推導(dǎo)得到的式（6）規(guī)律相符。

進(jìn)行不同流速條件下植被區(qū)床面切應(yīng)力隨沖刷時(shí)間變化相關(guān)試驗(yàn)并繪制圖6所示曲線，在1.5m/s和3m/s兩個(gè)流速下，三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡試樣床面切應(yīng)力隨沖刷時(shí)間的增加而逐漸減小，而后保持在一個(gè)比較穩(wěn)定的數(shù)值。分析主要原因：由于植被生長(zhǎng)情況有所差異，排列不均，初期對(duì)水流阻力明顯，歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的水流沖刷后，植被莖干在水流持續(xù)沖刷下彎曲程度增加，莖葉之間的排列趨于順滑和平整，對(duì)水流阻力有所減小，在試驗(yàn)時(shí)段后期維持相對(duì)穩(wěn)定。

圖6 床面切應(yīng)力-沖刷歷時(shí)曲線

4 結(jié)論

①設(shè)計(jì)一套三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡沖刷試驗(yàn)裝置，可在有壓和無壓兩種狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。

②由于三維生態(tài)保護(hù)毯對(duì)邊坡土體的保護(hù)作用，本試驗(yàn)在兩種情況下測(cè)得的沖坑深度隨沖刷歷時(shí)的增加不斷增大，且增長(zhǎng)速率逐漸變慢。

③改變流速對(duì)三維生態(tài)保護(hù)毯護(hù)坡進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，得到床面切應(yīng)力隨流速的增大而增大，且與流速之間存在非線性關(guān)系，與式（6）規(guī)律相符。

④在1.5m/s和3m/s兩個(gè)流速下進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，植被區(qū)床面切應(yīng)力前期有較明顯減??；在試驗(yàn)時(shí)段后期，切應(yīng)力無明顯變化，植被處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。